第三節(jié) 常用合金的鑄造

第三節(jié)常用合金的鑄造常用合金：鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金中的鋁、銅合金一、鑄鐵的鑄造鑄鐵：含碳量大于2.11%（通常為2.4%-4.0%）的鐵碳合金。組元wC

wSi

wMn

wP

wS

wFe

成分（%）2.4~4.00.6~3.00.4~1.2≤0.3≤0.15其余鑄鐵的常用成分范圍

根據(jù)碳在鐵中的存在形式的不同，鑄鐵可分為：白口鑄鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵。1、白口鑄鐵：2、灰口鑄鐵：3、麻口鑄鐵：碳除極少量溶于鐵素體外，都以滲碳體Fe3C的形式存在，斷口呈銀色，硬而脆，很難切削加工，很少直接用于制造各種鑄鐵零件。組織中既存在石墨、又有萊氏體，是白口和灰口之間的過渡組織，因斷口處有黑白相間的麻點(diǎn)，故而得名?！踩R氏體是珠光體P（F+Fe3C）

+滲碳體Fe3C）〕碳大部或全部以石墨形式存在，斷口呈暗灰色。4．蠕墨鑄鐵：其石墨呈蠕蟲狀。如圖d所示。

abcd根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)的不同，灰口鑄鐵又可分為：1．普通灰鑄鐵：簡(jiǎn)稱灰鑄鐵，其石墨呈片狀。如圖a所示。2．可鍛鑄鐵：其石墨呈團(tuán)絮狀。如圖b所示。3．球墨鑄鐵：其石墨呈球狀。如圖c所示。

灰口鑄鐵的基體因其石墨化程度的不同有：鐵素體、鐵素體+珠光體、珠光體三種基本組織。

灰口鑄鐵的基體組織與鋼相近，其性能也相近?；铱阼T鐵的抗壓強(qiáng)度、硬度、耐磨性主要取決于基體，因此與鋼接近。但因石墨的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌度近于零，對(duì)基體起有割裂作用，故灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌度較鋼低，降低的程度主要取決于石墨的形態(tài)。

石墨的存在又使灰口鑄鐵具有較鋼優(yōu)異的其它性能，其價(jià)格較鋼低廉，因此在工業(yè)上應(yīng)用很廣。（一）灰鑄鐵的鑄造

（1）具有良好的鑄造性能具有接近共晶的化學(xué)成分，熔點(diǎn)比鋼低，流動(dòng)性好，凝固過程中析出比容較大石墨，使鑄鐵收縮率小。

（2）鑄造工藝簡(jiǎn)單主要用砂型鑄造，澆注溫度較低，因而對(duì)型砂的要求也較低，中小件大多采用經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的濕型鑄造。

（3）便于制造出薄而復(fù)雜的鑄件

生產(chǎn)中多采用同時(shí)凝固原則，鑄型不需要加補(bǔ)縮冒口和冷鐵，只有厚壁鑄件鑄造時(shí)才采用定向凝固原則。工藝簡(jiǎn)單、成本最低、應(yīng)用最廣，占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上。1、灰鑄鐵的鑄造特點(diǎn)

（1）顯微組織：金屬基體（F、F+P、P）與片狀石墨（G）所組成?；诣T鐵的顯微組織a）鐵素體灰鑄鐵b）鐵素體+珠光體灰鑄鐵c）珠光體灰鑄鐵2、灰鑄鐵片狀石墨的析出與孕育處理（2）灰鑄鐵片狀石墨的析出碳、硅含量過低，冷卻速度過快，石墨化程度越小，易出現(xiàn)白口組織。①應(yīng)保證灰鑄鐵的化學(xué)成分：WC=2.6%~3.6%，WSi=1.2%~3.0%。碳以石墨形式析出的現(xiàn)象稱為石墨化。確保石墨化進(jìn)行的條件：

②應(yīng)具有適當(dāng)緩慢的凝固冷卻速度。

碳、硅含量越高，冷卻速度越慢，析出的石墨片愈多、愈粗大，基體組織中鐵素體量增多，珠光體量減少，鑄鐵的力學(xué)性能下降。鑄鐵中的碳可以以化合態(tài)滲碳體和游離態(tài)石墨兩種形式存在。生產(chǎn)中可通過控制碳、硅含量與冷卻速度得到不同組織與性能的灰鑄鐵。影響冷卻速度的因素1）鑄型材料2）鑄件壁厚

鑄件壁愈厚，冷卻速度愈慢，則石墨化傾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和鐵素體基體。鑄型材料導(dǎo)熱能力不同。金屬型冷卻速度快，以致石墨化受到阻礙，鑄件容易產(chǎn)生白口組織。砂型冷卻速度緩慢，容易獲得灰口組織，這也是砂型廣泛用于鑄鐵件生產(chǎn)的重要原因之一。（3）灰鑄鐵的孕育處理

熔煉出相當(dāng)于白口或麻口組織的低碳、低硅的高溫鐵水，向鐵水中沖入細(xì)顆粒的孕育劑，孕育劑在鐵水中形成大量彌散的石墨結(jié)晶核心，使石墨化作用驟然提高，從而得到在細(xì)晶粒珠光體上均勻的分布著細(xì)片狀石墨的組織。

孕育鑄鐵：向鐵液中沖入含硅75%硅鐵或硅鈣合金等孕育劑，然后再進(jìn)行澆注，可使鑄鐵中的石墨片細(xì)小而分布均勻，并獲得很細(xì)的珠光體基體組織，這種灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。（加入量為鐵水重量的0.25-0.6%。）孕育處理的實(shí)質(zhì)：通過控制灰鑄鐵的化學(xué)成分和凝固冷卻速度，只能獲得粗片狀石墨，這種灰鑄鐵稱為普通灰鑄鐵。1、強(qiáng)度比普通灰鑄鐵顯著提高。孕育鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)：2、鑄鐵組織和性能受冷卻速度的影響較小，使厚壁鑄件沿截面的性能較均勻，故適于制造厚大鑄件。還可避免鑄件表層與薄壁處出現(xiàn)白口組織。孕育處理對(duì)大截面（300×300）鑄件硬度的影響1-孕育鑄鐵2-普通灰鑄鐵孕育鑄鐵的用途：

孕育鑄鐵適用于靜載荷下要求較高強(qiáng)度、高耐磨性或高氣密性鑄件，特別是厚大鑄件。如重型機(jī)床床身，汽缸體、缸套及液壓件等。①孕育鑄鐵原鐵水的碳、硅含量不能太高；②原鐵水出爐溫度不應(yīng)低于1400℃；③經(jīng)孕育處理后的鐵水必須盡快澆注，以防止孕育作用衰退。必須指出：（1）灰鑄鐵的性能特點(diǎn)：

①抗拉強(qiáng)度低，塑性、韌性≈0，抗壓強(qiáng)度、硬度、耐磨性≈鋼；

②減磨性與切削性好；③吸振、消振性好；3、灰鑄鐵的性能特點(diǎn)、牌號(hào)、應(yīng)用和熱處理

④低的缺口敏感性。（2）灰鑄鐵的牌號(hào)和應(yīng)用牌號(hào)：用漢語(yǔ)拼音“HT”和三位數(shù)表示，數(shù)字表示其最低抗拉強(qiáng)度值σb

（Mpa）?；诣F牌號(hào)和應(yīng)用見教材中P48表1—13。應(yīng)用：灰鑄鐵常用于制造機(jī)床床身、機(jī)座、導(dǎo)軌、襯套和活塞環(huán)等要求耐壓、消振、減磨耐磨的零件。HT100灰鐵σb（3）灰鑄鐵的熱處理①消除內(nèi)應(yīng)力退火：對(duì)精度要求較高或大型復(fù)雜的灰鑄鐵件，如床身、機(jī)架等，在切削加工以前應(yīng)進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力退火。②消除白口退火：用于表層或薄壁處出現(xiàn)白口組織的灰鑄鐵件。③接觸電阻加熱表面淬火：對(duì)表面要求高硬度、高耐磨的導(dǎo)軌等灰鑄鐵件，可采用接觸電阻加熱方法進(jìn)行表面淬火，使表層的基體組織成為細(xì)小馬氏體組織。（二）球墨鑄鐵的鑄造（1）具有良好的鑄造性能，但縮孔、縮松傾向大?？稍鲈O(shè)冒口、冷鐵實(shí)現(xiàn)定向凝固，以便于補(bǔ)縮。增加型砂緊實(shí)度，采用干砂型或水玻璃快干砂型，并使上下型牢固夾緊，以增加鑄型剛度，防止型腔擴(kuò)大。（3）球墨鑄鐵件易出現(xiàn)皮下氣孔應(yīng)嚴(yán)格控制球墨鑄鐵的雜質(zhì)含量和型砂中的水分。（2）白口傾向較大，適宜制造壁厚較大鑄件。1、球墨鑄鐵的鑄造特點(diǎn)

2、球墨鑄鐵球狀石墨的析出與孕育處理（1）顯微組織：隨著化學(xué)成分、冷卻速度和熱處理方法的不同，球墨鑄鐵可得到不同的基體組織（F、F+P、P），最常用的是珠光體基體和鐵素體基體的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的顯微組織a）鐵素體球墨鑄鐵b）鐵素體+珠光體球墨鑄鐵c）珠光體球墨鑄鐵球化處理工藝有沖入法和型內(nèi)球化法。（2）球化處理球化劑的作用是使石墨結(jié)晶時(shí)呈球狀析出。

球化劑：稀土鎂合金，加入量一般為鐵水重量的1.0-1.6%。沖入法球化處理的方法：球化劑密度較小，故其加入以沖入法最為普遍，如圖所示。它是將球化劑放在鐵液包的堤壩內(nèi)，上面鋪以硅鐵粉和稻草灰，以防球化劑上浮，并使其緩慢作用，然后將相當(dāng)于鐵液包容量2/3左右的鐵液沖入包內(nèi)，使球化劑與鐵液充分反應(yīng)。孕育劑的作用：促進(jìn)鑄鐵石墨化，防止球化元素所造成的白口傾向使石墨球圓整、細(xì)化，改善球鐵的力學(xué)性能。常用的孕育劑：含硅75%的硅鐵或硅鈣合金，加入量為鐵水質(zhì)量的0.4%~1.0%。（3）孕育處理（4）鐵液：碳、硅含量較高：WC=3.6%~4.0%

WSi

=2.0%~3.2%低硫、磷：硫會(huì)影響球化效果，并使鑄件產(chǎn)生皮下氣孔；低磷可以改善鑄鐵的塑性與韌度。較高的鐵水溫度:出爐的鐵水溫度必須高達(dá)1400℃以上。球化孕育處理后的鐵液應(yīng)及時(shí)澆注，以防止孕育和球化作用衰退。解釋（3）球墨鑄鐵孕育處理的方法：

球墨鑄鐵的球化處理必須伴隨孕育處理，常用的孕育劑為75%的硅鐵或硅鈣合金，加入量為鐵水質(zhì)量的0.4%~1.0%。在鐵液包內(nèi)的球化劑與鐵液充分反應(yīng)后，將孕育劑放在煉鐵爐出鐵槽內(nèi)，用相當(dāng)于1/3鐵液包容量的鐵液將其沖入包內(nèi)，進(jìn)行孕育。解釋（4）球墨鑄鐵的鐵液：1、碳、硅含量高由于球化劑阻礙石墨化，使鑄鐵白口傾向加大，因此球墨鑄鐵的硅、碳含量較灰鑄鐵高。由于球化劑使白口傾向加大，球墨鑄鐵適宜制造厚壁鑄件，不宜制造薄壁件。2、低硫、磷由于硫會(huì)與鎂形成MgS而增球化劑損耗，嚴(yán)重影響球化質(zhì)量，且MgS又會(huì)與型砂中的水分作用，使鑄件產(chǎn)生皮下氣孔，因此應(yīng)嚴(yán)格控制硫含量。此外還應(yīng)低磷，以改善球墨鑄鐵的塑性與韌度。（1）球墨鑄鐵的性能特點(diǎn)：

3、球墨鑄鐵的性能特點(diǎn)、牌號(hào)、應(yīng)用與熱處理

球墨鑄鐵的石墨呈球狀，它對(duì)基體的割裂作用減至最低限度，基體強(qiáng)度的利用率可達(dá)70%~90%。①抗拉強(qiáng)度、塑性和韌度較灰鑄鐵顯著提高。屈強(qiáng)比高，疲勞強(qiáng)度可與鋼媲美。②良好的耐磨性和減磨性，缺口敏感性小，切削加工性能好，減振性低于灰鑄鐵但優(yōu)于鋼。在制造曲軸、凸輪軸等受載較大、承受振動(dòng)和一定沖擊、要求耐磨損的鑄件方面正在逐步取代鍛鋼。（2）球墨鑄鐵的牌號(hào)和應(yīng)用牌號(hào)：用漢語(yǔ)拼音“QT”和兩組數(shù)字表示，兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度σb

（Mpa）和最低伸長(zhǎng)率δ

（%）。球鐵牌號(hào)和應(yīng)用見教材中P50表1—15。QT500-07球鐵σbδ（3）球墨鑄鐵的熱處理①獲得F，提高塑、韌性的退火。②獲得P，提高強(qiáng)、硬度的正火。退火、正火、調(diào)質(zhì)、等溫淬火、表面淬火等。③獲得回S，提高綜合力學(xué)性能的調(diào)質(zhì)。④等溫淬火、表面淬火等。（三）可鍛鑄鐵的鑄造

可鍛鑄鐵是由一定化學(xué)成分的鐵水先鑄成白口鑄鐵，再經(jīng)石墨化退火獲得。（1）鑄出白口坯料

1）碳、硅含量要低。通常為2.2~2.8%C，1.0~1.8%Si。2）冷卻速度要快。適宜制造薄壁小型鑄件，不宜制造大型鑄件。1、可鍛鑄鐵的鑄造特點(diǎn)與團(tuán)絮狀石墨的析出（2）石墨化退火

（3）顯微組織：金屬基體和團(tuán)絮狀石墨組成?？慑戣T鐵的顯微組織a)鐵素體可鍛鑄鐵b）珠光體可鍛鑄鐵生產(chǎn)周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)率低、能耗大、成本高，某些傳統(tǒng)可鍛鑄鐵零件已逐漸被球墨鑄鐵所代替。（1）可鍛鑄鐵的性能特點(diǎn)：

2、可鍛鑄鐵的性能特點(diǎn)、牌號(hào)、應(yīng)用

團(tuán)絮狀石墨對(duì)基體的割裂作用較片狀大大降低。①高強(qiáng)度灰鑄鐵，塑性和沖擊韌度顯著優(yōu)于灰鑄鐵，力學(xué)性能稍低于球墨鑄鐵。②可鍛鑄鐵不可鍛。③適于制造形狀復(fù)雜、壁厚極薄和強(qiáng)韌性要求較高的小鑄件，如壁厚1.7mm的三通管件?？慑戣T鐵的牌號(hào)用漢語(yǔ)拼音和兩組數(shù)字表示，第一組數(shù)字表示其最低抗拉強(qiáng)度σb

（Mpa），第二組數(shù)字表示其最低伸長(zhǎng)率δ（%）。KTH300—06

KTZ450—06

可鐵黑可鐵珠σbδσbδ（2）可鍛鑄鐵的牌號(hào)和應(yīng)用“H”表示黑心可鍛鑄鐵，基體為鐵素體?！癦”表示珠光體可鍛鑄鐵，基體為珠光體。牌號(hào)和應(yīng)用見教材中P52表1—16。（四）蠕墨鑄鐵的鑄造1、蠕墨鑄鐵蠕蟲狀石墨的析出

在一定成分的鐵液中加入適量的蠕化劑，從而使大部分石墨呈蠕蟲狀析出，少量為球狀析出。蠕化處理是將蠕化劑放入經(jīng)過預(yù)熱的堤壩或鐵液包內(nèi)的一側(cè)，從另一側(cè)沖入鐵液，利用高溫鐵液將蠕化劑熔化的過程。蠕化劑為鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等。蠕墨鑄鐵的顯微組織（1）性能特點(diǎn)：

2、蠕墨鑄鐵的性能特點(diǎn)及應(yīng)用

蠕蟲狀石墨對(duì)基體的割裂作用介于片狀和球狀之間，故力學(xué)性能也介于相同基體組織的灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。具有較高的強(qiáng)度、一定的韌度和較高的耐磨性，同時(shí)又兼有灰鑄鐵的良好鑄造性能和減振性。

蠕墨鑄鐵用于制造氣缸蓋、氣缸套、鋼錠模、軋輥模、玻璃瓶模和液壓閥等鑄件。（2）應(yīng)用：

鑄鐵的分類石墨的析出鑄造特點(diǎn)鑄鐵組織鑄鐵性能鑄鐵牌號(hào)鑄鐵的應(yīng)用鑄鐵的熱處理1．碳素鋼（碳素鑄鋼）2．合金鋼1）低碳鋼2）中碳鋼3）高碳鋼C<0.25%C=0.25~0.45%C=0.50~0.60%1）低合金鋼2）中合金鋼Me≤5%5%＜Me＜10%鑄造性能差、應(yīng)用較少。鑄造性能較好、應(yīng)用廣泛。鑄造性能差、應(yīng)用較少。二、鑄鋼的鑄造分類：碳素鑄鋼的應(yīng)用最廣，占總產(chǎn)量的80%以上。3）高合金鋼Me≥10%（一）鑄鋼的鑄造特點(diǎn)

鑄鋼的熔點(diǎn)高（約1500℃），流動(dòng)性差、收縮率大，鑄造性能差，熔煉過程中易氧化、吸氣，鑄件易產(chǎn)生粘砂、澆不到、冷隔、縮孔、縮松、變形、裂紋、氣孔和夾渣等缺陷。為保證鑄件質(zhì)量，工藝上常采取以下措施：（1）鑄鋼用型（芯）砂應(yīng)具有高耐火性，良好的透氣性、強(qiáng)度和退讓性，低發(fā)氣性。采用干砂型或水玻璃砂快干型高耐火度石英砂砂中加入糖漿、木屑等型腔表面涂刷一層耐火涂料（2）配置大量補(bǔ)縮冒口和冷鐵，實(shí)現(xiàn)定向凝固。

（3）嚴(yán)格掌握澆注溫度，防止過高或過低。澆注溫度根據(jù)鋼號(hào)和鑄件結(jié)構(gòu)來定，一般為1500~1650℃。

低碳鋼、薄壁小件或結(jié)構(gòu)復(fù)雜容易澆不足的鑄件，可適當(dāng)提高澆注溫度。

高碳鋼、厚壁大件及容易產(chǎn)生熱裂的鑄件，可適當(dāng)降低澆注溫度。（二）碳素鑄鋼的性能特點(diǎn)、牌號(hào)、應(yīng)用與熱處理

最適宜制造承受重載荷及沖擊載荷的形狀復(fù)雜的零件，如鐵路車輛上的搖枕、側(cè)架、車輪及車鉤，重型水壓機(jī)橫梁，大型軋鋼機(jī)機(jī)架、齒輪等。1、性能特點(diǎn)：（1）鑄鋼強(qiáng)度、塑性和韌度高于各類鑄鐵。（2）焊接性能優(yōu)良，可采用鑄、焊聯(lián)合工藝制造大型零件。（3）鑄造性能、減震性和缺口敏感性都比鑄鐵差。2、牌號(hào)與應(yīng)用：牌號(hào)：牌號(hào)中“ZG”為“鑄鋼”，其后的兩組數(shù)字分別表示最低屈服強(qiáng)度與最低抗拉強(qiáng)度（MPa），“H”為“焊”字的漢語(yǔ)拼音字首，表示焊接結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼。ZG200—400

ZG200—400H

鑄鋼最低屈服強(qiáng)度最低抗拉強(qiáng)度鑄鋼最低抗拉強(qiáng)度最低屈服強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼牌號(hào)和應(yīng)用見教材中P54表1—17。3、鑄鋼的熱處理退火：退火件應(yīng)力較正火件小，用于形狀復(fù)雜、容易產(chǎn)生裂紋或正火易硬化的鑄鋼件。正火：正火件力學(xué)性能高于退火件，且成本低，應(yīng)盡量采用。鑄鋼件的晶粒粗大，組織不均勻，且常存在殘余內(nèi)應(yīng)力，會(huì)降低鑄鋼件的強(qiáng)度，特別是塑性和沖擊韌度，必須對(duì)其進(jìn)行退火、正火熱處理。三、銅、鋁合金的鑄造鑄造黃銅有相當(dāng)高的力學(xué)性能，而價(jià)格卻較青銅低。鑄造黃銅的熔點(diǎn)低、結(jié)晶溫度范圍窄，流動(dòng)性好，有良好的鑄造性能。1、鑄造黃銅（Cu-Zn）

（一）鑄造銅合金鑄造黃銅常用于生產(chǎn)重載低速下或一般用途下的軸承、襯套、齒輪等耐磨件和閥門及大型螺旋槳等耐蝕件等。2、鑄造青銅是以鋅與鎳以外的元素為主要合金元素的銅合金。如錫青銅、鋁青銅、鉛青銅等。

錫青銅是最普通的青銅，其